geometria 2 - Dipartimento di Matematica e Fisica

FISICA GENERALE II
a.a. 2014-2015
Insegnamento: Fisica Generale II – Fisica Generale II (modulo 1) e Complementi di Fisica
Generale II (modulo 2)
Docente: Antonio D’Onofrio; Antonio Castrillo
Settore Scientifico - Disciplinare: FIS/01
CFU
ORE
16=12L+4E
144=96+48
Obiettivi formativi: Conoscenza delle leggi fisiche e capacità di impostare e risolvere problemi
fisici nell’ambito dell’Elettromagnetismo e dell’Ottica.
L’insieme dei due moduli fornisce: a) una formazione di base in Fisica classica e cenni sui primi
fenomeni della Fisica moderna, che verranno poi sviluppati nei corsi del terzo anno, per ciò che
riguarda i campi elettrici e magnetici statici e variabili nel tempo nel vuoto e nei mezzi materiali
conduttori ed isolanti, le onde Elettromagnetiche, l’Ottica Fisica e Geometrica, gli aspetti
fenomenologici delle proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione e della materia, con
applicazioni numeriche.
Propedeuticità: Analisi matematica I e Fisica Generale I
Modalità di svolgimento: lezioni ed esercitazioni numeriche in aula, esperienze dimostrative,
prove intercorso, studio assistito.
Modalità di accertamento del profitto: La verifica del livello di apprendimento consisterà in una
prova scritta (articolata in esercizi numerici e problemi riguardanti gli argomenti trattati), da
effettuarsi alla fine del corso (eventualmente frazionata in due prove di fine semestre), e in un
colloquio orale. E’ previsto l’esonero dalla prova scritta per gli studenti in corso che abbiano
frequentato regolarmente le lezioni e le esercitazioni e che abbiano conseguito una valutazione
complessiva superiore alla sufficienza sugli elaborati prodotti in sede di prove in itinere.
Legenda: L= Lezioni, E= Esercitazioni, La= Attività di Laboratorio.
PROGRAMMA
FISICA ENERALE II
1.
2.
3.
4.
Forza elettrica. Campo elettrostatico:
Cariche elettriche. Isolanti e conduttori. Struttura elettrica della materia. Misura delle cariche elettriche. Legge di
Coulomb. Campo elettrostatico prodotto da una distribuzione continua di carica. Linee di forza del campo
elettrostatico. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Esperienza di Rutheford. Determinazione della carica
elementare. Esperienza di Millikan.
Lavoro elettrico. Potenziale elettrico
Lavoro della forza elettrica. Tensione. Potenziale. Calcolo del potenziale elettrostatico. Energia potenziale
elettrostatica. Il campo come gradiente del potenziale. Superfici equipotenziali. Il dipolo elettrico.
La legge di Gauss
Flusso del campo elettrico. Legge di Gauss. Alcune applicazioni e conseguenze della legge di Gauss. Campo
elettrostatico nell’intorno di uno strato superficiale di carica.
Conduttori. Energia elettrostatica,
Conduttori in equilibrio. Capacità di un conduttore isolato. Conduttore cavo. Schermo elettrostatico. Sistemi di
conduttori. Condensatori. Collegamento di condensatori. Energia del campo elettrostatico. Energia di un sistema di
cariche.
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6.
7.
8.
9.
Corrente elettrica.
Conduzione elettrica. Corrente elettrica. Legge di conservazione della carica. Regime di corrente stazionaria.
Modello classico della conduzione elettrica. Legge di Ohm. Legge di Ohm per i conduttori metallici. Resistenza
elettrica. Effetto Joule. Resistori in serie e in parallelo. Forza elettromotrice. Legge di Ohm generalizzata. Il
generatore Van der Graaf. Carica e scarica di un condensatore attraverso un resistore. Leggi di Kirchhoff per le reti
elettriche. Alcuni circuiti particolari in corrente continua.
Forza magnetica. Campo magnetico
Primi fatti sperimentali sull’interazione magnetica. Linee di forza del campo magnetico. Legge di Gauss per il
campo magnetico. Forza magnetica su una carica in moto. Forza magnetica su un conduttore percorso da corrente.
Momenti meccanici su circuiti piani. Principio di equivalenza di Ampère. Espressioni di forza, momento e lavoro
tramite il flusso magnetico. Effetto Hall. Esempi di moti di particelle cariche in campo magnetico uniforme.
Sorgenti del campo magnetico. Legge di Ampère.
Campo magnetico prodotto da una corrente. Calcoli di campi magnetici prodotti da circuiti particolari. Azioni
elettrodinamiche tra circuiti percorsi da corrente. Legge di Ampère. Flusso tra circuiti. Autoflusso. Proprietà del
campo magnetostatico nel vuoto.
Campi elettrici e magnetici variabili nel tempo.
Legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica. Origine fisica della forza elettromotrice indotta. Applicazioni
della legge di Faraday. Legge di Felici. Misure di campo magnetico. Autoinduzione. Energia magnetica. Pressione
magnetica. Forse su corpi magnetizzati. Induzione mutua. Energia magnetica di circuiti accoppiati. Corrente di
spostamento. Legge di Ampère-Maxwell. Equazioni di Maxwell.
Cenni di ottica geometrica
Ottica geometrica. Leggi della riflessione e della trasmissione. Definizioni e convenzioni.
Testi consigliati:
Elementi di Fisica - Elettromagnetismo e Onde, P. Mazzoldi - M. Nigro - C. Voci, Edises.
COMPLEMENTI DI FISICA GENERALE II
1.
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4.
5.
6.
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8.
Lavoro e potenziale elettrico: approfondimenti.
Rotore di un campo vettoriale. Teorema di Stokes. Applicazione al campo elettrostatico. Potenziale di un sistema
di cariche nell’approssimazione di dipolo. La forza su un dipolo elettrico.
Legge di Gauss: approfondimenti.
Legge di Gauss in forma differenziale. Divergenza di un campo vettoriale. Equazioni di Maxwell per
l’elettrostatica. Equazioni di Poisson e Laplace. Riepilogo sulle operazioni di gradiente, rotore, divergenza.
Conduttori: approfondimenti.
Forza tra le armature di un condensatore. Pressione elettrostatica. Il metodo delle cariche immagini. Funzioni
armoniche. Problemi di Dirichlet.
Dielettrici
La costante dielettrica. Polarizzazione dei dielettrici. Campo elettrico prodotto da un dielettrico polarizzato.
Campo elettrico all’interno di un dielettrico polarizzato. Equazioni generali dell’elettrostatica in presenza di
dielettrici. Il vettore induzione elettrica. Dipendenza della polarizzazione dal campo elettrico. Mezzi isotropi e
anisotropi. Discontinuità dei campi sulla superficie di separazione tra due dielettrici. Campo elettrico all’interno di
una cavità in un dielettrico. L’energia elettrostatica nei dielettrici. Meccanismi di polarizzazione nei dielettrici
isotropi. La costante dielettrica dei liquidi. Equazione di Clausius-Mossotti. Cenni ai meccanismi di polarizzazione
nei solidi.
Proprietà magnetiche della materia.
Magnetizzazione della materia. Permeabilità magnetica e suscettività magnetica. Correnti amperieane e
magnetizzazione. Equazioni generali della magnetostatica. Il campo H. discontinuità dei campi sulla superficie di
separazione tra due mezzi magnetizzati. Campi all’interno di una cavità. Confronto fra leggi dell’elettrostatica e
della magnetostatica in mezzi omogenei indefiniti. Sostanze ferromagnetiche. Circuiti magnetici. Elettromagneti,
magneti permanenti. Correnti elettriche e momenti magnetici atomici. Teoria microscopica classica del
paramagnetismo. Cenno alla teoria del ferromagnetismo.
Sorgenti del campo magnetico: approfondimenti.
Potenziale vettore. Le trasformazioni dei campi elettrici e magnetici.
Oscillazioni elettriche. Correnti alternate.
Oscillazioni smorzate in un circuito RLC. Oscillazioni permanenti in un circuito RLC. Circuiti in corrente
alternata. Impedenza. Metodo simbolico per i circuiti in corrente alternata. Alcune applicazioni. Potenza in regime
alternato. Generatori e motori.
Fenomeni ondulatori.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Descrizione di un’onda. Equazione differenziale delle onde piane. Richiamo sulle onde elastiche. Onde piane
armoniche. Analisi di Fourier. Onde longitudinali. Onde trasversali. Polarizzazione. Onde sulla superficie di un
liquido. Propagazione dell’energia. Intensità di un’onda. Intensità delle onde sonore. Battimenti. Onde in più
dimensioni. Pacchetti d’onde. Velocità di fase e velocità di gruppo. Effetto Doppler. Onda d’urto.
Onde elettromagnetiche.
Onde elettromagnetiche piane. Polarizzazione delle onde elettromagnetiche piane. Energia di un’onda
elettromagnetica piana. Vettore di Poynting. Quantità di moto di un’onda elettromagnetica piana. Pressione di
radiazione. Onde elettromagnetiche piane, sferiche, cilindriche. Radiazione elettromagnetica prodotta da un dipolo
elettrico oscillante. Radiazione emessa da una carica elettrica in moto accelerato. Radiazioni emessa dagli atomi.
Diffusione della luce. Propagazione di un’onda elettromagnetica in un mezzo dielettrico. Dispersione. Onde
elettromagnetiche nei conduttori. Effetto Doppler. Effetto Cerenkov. Spettro delle onde elettromagnetiche. La
velocità della luce. Cenni all’invarianza relativistica delle equazioni del campo elettromagnetico.
Riflessione e rifrazione delle onde.
Introduzione. Teorema di Kirchhoff. Principio di Huygens-Fresnel. Le leggi della riflessione e della rifrazione.
Intensità delle onde elettromagnetiche riflesse e rifratte. Formule di Fresnel. Riflessione e rifrazione di onde
eleastiche. Propagazione di un’onda elettromagnetica piana in un mezzo anisotropo. Applicazioni della
birifrangenza. Birifrangenza elettrica, magnetica e meccanica. Attività ottica. Riflessione su una superficie
metallica.
Approfondimenti di ottica geometrica.
Specchi. Diottri. Lenti sottili. Lenti spesse. Sistemi diottrici centrati. Aberrazioni. Strumenti ottici. L’occhio.
Dispersione. Prisma. Il principio di Fermat.
Interferenza
Somma di onde. Fenomeni di interferenza. Sorgenti coerenti ed incoerenti. Interferenza prodotta da due sorgenti.
Caso delle onde hertziane e delle onde sonore. Interferenza di due onde luminose. Esperimento di Young.
Applicazioni del metodo di Young. Interferenza prodotta da N sorgenti coerenti. Interferenze delle onde luminose
su lamine sottili. Interferenza con riflessioni e trasmissioni multiple. Onde stazionarie in una corda tesa. Onde
stazionarie in una colonna di gas. Onde elettromagnetiche stazionarie. Esperienza di Hertz. Onde stazionarie
bidimensionali e tridimensionali. Radiazione di cavità. Cavità risonanti. Guide d’onda.
Diffrazione
Fenomeni di diffrazione di Fraunhofer e di Fresnel. Diffrazione da una fenditura rettilinea. Diffrazione da un foro
circolare e da parte di un disco opaco. Limite di risoluzione delle lenti. Reticolo di diffrazione. Spettroscopia con il
reticolo di diffrazione. Fenomeni di diffrazione di Fresnel. Olografia. Diffrazione dei raggi X.
Cenni alle proprietà corpuscolari e ondulatorie della radiazione e della materia.
Radiazione termica. Corpo nero. Legge di Planck. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Produzione di coppie.
Righe spettrali. Modello di Bohr. Livelli energetici. Onde materiali. Relazione di de Broglie. Il principio di
indeterminazione.
Cenni alle proprietà degli elettroni nei solidi.
Struttura elettronica degli atomi. Legami nelle molecole e nei solidi. Bande di energia. Il gas di elettroni liberi di
Fermi. Gas di elettroni all’interno di un reticolo cristallino. Conduttori e isolanti. Semiconduttori.
Superconduttività. Effetto Volta. Effetti termoelettrici.
Testi consigliati:
Fisica Vol. II, P. Mazzoldi - M. Nigro - C. Voci, Edises.
Fisica II, C. Mencuccini - V. Silvestrini, Elettromagnetismo – Ottica, Liguori Editore.